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Simulación numérica del comportamiento mecánico de la reparación delligamento cruzado anterior monofascicular y bifascicular con único túnel tibialMechanical behavior of single-bundle versus double-bundle anterior cruciate ligament repairwith a single tibial tunnel

Maestro Fernández A 1, Fernández Lombardía J 1, Paz Aparicio A 2, Rodríguez López L 3, García González P 3, FernándezLombardía M I 4, Guerrero Rosales M A 5, Jorge Rellán J 5, Vigil Castiello F J 5

1 FREMAP. Delegación Cantábrica, 2 Hospital Universitario Central de Asturias, Oviedo, 3 Hospital de Cabueñes, Gijón, 4 Hospital SanAgustín, Avilés; 5 Fundación ITMA, Avilés.

ResumenObjetivo: determinar, mediante la simulación con elementos finitos, las diferencias mecánicas del túnel femo-ral en las reparaciones del ligamento cruzado anterior (LCA), con técnicas mono y bifasciculares con un únicotúnel tibial.Material y Método: se realizó un estudio mediante elementos finitos de las tensiones sufridas en el material defijación (Endobutton® y Endobutton direct®), como del componente óseo, en las reparaciones del LCA me-diante la técnica monofascicular y bifascicular con un único túnel tibial. Se simuló la resistencia a la compre-sión del extremo distal del fémur tras la realización de los túneles.Resultados: las fuerzas sufridas tanto por el material de fijación como por el componente óseo estaban dentrode los límites de tolerancia de ambos materiales en todos los supuestos estudiados, tanto en la zona de anclajecomo en el fémur distal.Conclusiones: la realización de mayor número de túneles en la reconstrucción del LCA no supone un riesgo derotura del material ni de fractura ósea.Palabras clave:Rodilla, doble fascículo, LCA, elementos finitos.

CorrespondenciaA. Maestro Fernández Avda Juan Carlos I, 1. 33212. Gijón.amaestrof@meditex.es

❙ ORIGINAL

AbstractObjetive: To use finite elements simulation to determine the mechanical differences of the femoral tunnel inmonofascicular and bifascicular anterior cruciate ligament (ACL) repair with a single tibial tunnel.Material and method: A finite elements study was made of the tension experienced in the fixation material(Endobutton® and Endobutton direct®) and bone component in monofascicular and bifascicular ACL repairwith a single tibial tunnel. Resistance to compression of the distal extremity of the femur was simulated aftercreating the tunnels.Results: The forces experienced by the fixation material and bone component were within the limits of tole-rance of both materials in all the studied scenarios, in both the anchoring zone and in the distal femur.Conclusions: The creation of an increased number of tunnels in ACL reconstruction does not imply a risk ofmaterial rupture or bone fracture.Key words:Knee, double fascicle, ACL, finite elements.

Esta investigación ha sido financiada por FUNDACIÓN MAPFRE

❙ IntroducciónLas roturas del Ligamento Cruzado Anterior (LCA) es una

de las patologías más frecuentes en Cirugía Ortopédica cal-culándose que, en EEUU, se realizan 100.000 reparaciones alaño. Son muchos los cirujanos ortopédicos que realizan téc-nicas bifasciculares para mejorar el control rotacional. Sinembargo, también hay quien piensa que las técnicas bifasci-culares presentan mayor número de complicaciones debido ala perforación de mayor número de túneles óseos con la con-siguiente disminución de la resistencia ósea.

Se han efectuado simulaciones numéricas mediante el mé-todo de los elementos finitos, de diferentes tipos de repara-ción de roturas del LCA. Así, se han obtenido mediante di-cha técnica las tensiones a las que se ve sometido el fémurdebido al efecto de los diferentes sistemas de fijación en lastécnicas uni y bifascicular con un único túnel tibial. Así mis-mo, se ha observado el efecto de las fuerzas de compresiónsobre los túneles femorales que se pueden atribuir a activida-des habituales.

El objetivo del presente estudio es determinar, mediante si-mulación numérica, con el método de los elementos finitos,las posibles diferencias mecánicas del hueso femoral en repa-raciones del LCA con técnicas mono y bifasciculares con unúnico túnel tibial.

❙ Material y métodoSe realizaron los análisis en 2 modelos diferentes. En el pri-

mero se efectuó el estudio de la técnica de reconstrucción ha-bitual del LCA, técnica monofascicular; es decir, con la reali-zación de un único túnel tanto en el fémur como en la tibia.En el segundo se analizó el supuesto de reconstrucción bifas-cicular con dos túneles femorales, fijando los diferentes fascí-culos, anteromedial (AM) y posterolateral (PL), mediantesistemas de suspensión (Endobutton®, Smith&Nephew, y

Endobutton direct® Smith&Nephew, Memphis, TN, Esta-dos Unidos) respectivamente, y un único túnel tibial.

Estos dos modelos fueron analizados obteniendo la resis-tencia de la fijación y la repercusión de la realización de la di-ferente cantidad de túneles óseos sobre la resistencia del fé-mur a la compresión, en los casos habituales de carga. Setomaron como propiedades mecánicas del material óseo, delos huesos cortical y esponjoso, y las fijaciones, una aleaciónTi-6Al-4V (Tabla 1). Consideramos una ley de comporta-miento lineal para todos los materiales, por lo que analiza-mos las tensiones alcanzadas para conocer la carga de cadazona de cada material respecto a su límite elástico.

Los modelos geométricos y de elementos finitos se constru-yeron empleando el programa ANSYS Workbench, a partirde la tercera generación del modelo de fémur estandarizado(Pacific Research Laboratories, Inc, EEUU), mediante escá-ner de Tomografía Computerizada de un fémur izquierdo.

Sobre dicho modelo se realizó una simulación quirúrgicamediante técnicas uni y bifascicular con un único túnel tibial,colocando los portales en dicho modelo en sus lugares habi-tuales. Las fijaciones en el fémur se simularon mediante siste-mas de suspensión Endobutton® como única fijación en téc-nicas monofasciculares (Figura 1), así como para el fascículoAM en los casos de sustitución bifascicular, y Endobutton di-rect® para la fijación del fascículo PL (Figura 2).

En el caso de la técnica monofascicular se realizó un únicotúnel con un diámetro de 7 mm para la ubicación de la plas-tia en su parte más intraarticular, y de 4.5 mm en la partemás cortical para la colocación de la suspensión (Figura 3).

En la técnica bifascicular se realizó un primer túnel comoel descrito previamente, y un segundo túnel de 6 mm de diá-metro en todo su trayecto. En este caso resultó necesario co-nocer el porcentaje de carga de cada uno de los dispositivosde fijación colocados (AM y PL). Para ello, se desarrolló un

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Tabla 1. Propiedades de los materiales

Hueso cortical (ortótropo) Hueso esponjoso (isótropo) Ti-6Al-4V (isótropo)

Módulo de Elasticidad (E) [GPa] Ea 21.9 0.9 115Eb 14.6Ec 11.6

Módulo de Cortadura (G) [GPa] Gab 6.99G G

Gac 6.29 E = ––––––––– E = –––––––––Gbc 5.29 2 (1 + ν) 2 (1 + ν)

Coeficiente de Poisson (ν) νab 0.205 0.33 0.325νac 0.109νbc 0.302

Límite Elástico (σys) [MPa] 120 - 160 790

modelo unifilar que representaba la técnica bifascicular conun único túnel tibial, con las longitudes y ángulos habituales,considerando los ligamentos en la posición de carga más des-favorable, concluyendo que el 60,4 % de la fuerza total apli-cada la soportará la fijación (Endobutton®) para el fascículoAM, mientras que el 39,6 % restante le corresponderá a lafijación Endobutton direct® para el fascículo PL.

Para el análisis de la resistencia de la fijación las cargas em-pleadas en los casos de carga analizados fueron obtenidas dela bibliografía. Dado que las fuerzas ejercidas en el sitio de fi-jación del injerto durante las actividades del postoperatorioestan comprendidas entre 152 N y 450 N [1-3] y que la cargamáxima sobre el LCA en actividades diarias es del orden del20% de su resistencia [4][5], 2500 N [5], 2195 ± 427 N [6], ó1994 ± 206 N [7], propusimos una carga de 500 N como la

carga máxima diaria. Por lo tanto, un método de fijación de-ba alcanzar al menos 500 N si la rodilla era rehabilitada conintensidad, ya que hasta que se produzca la osteointegración,toda la resistencia de la reconstrucción depende de la fijación.

En el caso de reconstrucción unifascicular, el túnel femoralestaba alineado con el túnel tibial y el 100% de la carga, 500N, recaía sobre el sistema de fijación. En la técnica bifascicu-lar resultó necesario conocer el porcentaje de carga de cadauno de los dispositivos de fijación.

Por otro lado, en el análisis de la resistencia del fémur, paraverificar que no existía riesgo de fractura, por la presencia deuno o dos túneles femorales, se analizó un tramo de fémurrepresentativo, fijando su extremo superior y cargando conuna fuerza total de compresión de 2.000 N, 1.000 N aplica-dos en cada uno de los cóndilos femorales, para simular lacarga que sufre el fémur al andar [8].

❙ ResultadosEn el análisis de la resistencia de la fijación, cuando se ob-

servaron las tensiones sufridas por la fijación en la recons-trucción unifascicular, se detectaron dos zonas en la superfi-cie del fémur, coincidentes con los extremos de la fijaciónque mostraron un valor de tensión máximo de 158 MPa,dentro del rango de variación del límite elástico del huesocortical (120 a 160 MPa), (Figura 4). La distribución de lastensiones de von Mises sobre el sistema de fijación, utilizan-do como tensión de comparación el valor del límite elásticode la aleación Ti-6Al-4V (790 MPa), se observó que en laparte central de la misma se superó la tensión de compara-

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Fig. 1. Ubicación del Endobutton® en la técnica monofascicular.

Fig. 2. Colocación de ambos sistemas de suspensión en la técnicabifascicular.

Fig. 3. Corte transversal del túnel para el Endobutton®, con unasección de 7 mm en la zona inicial y de 4,5 mm en la zona finaldel mismo.

ción (Figura 5); debido a que, idealmente, el contacto entrela fijación y el hueso cortical se establece en dos puntos ex-tremos por lo que la fijación trabaja a flexión sometiendo agrandes esfuerzos las fibras superiores e inferiores de la mis-ma. Sin embargo, la realidad no será ésa ya que tendrá lugarel «asiento» de dicha fijación, con lo que las zonas de contac-to entre la fijación y el hueso cortical serán mayores, lo quereducirá el vano de la fijación y, por lo tanto, los esfuerzosque ésta sufre disminuirán. Así, cualquier pequeña modifica-ción en la posición de la fijación o en la geometría del huesoimplicaría una mayor zona de apoyo fijación-hueso y, portanto, un reparto de esfuerzos más favorable para la fijación.

En el caso de la reconstrucción bifascicular, tomando comotensión de comparación el valor mínimo del límite elástico delhueso cortical (120 MPa) ninguna zona alcanzó dicho valor,siendo la tensión máxima 107 MPa (Figura 6). Nuevamentese observó un aumento en la tensión en la parte central de lafijación del fascículo AM respecto a las tensiones de compara-ción, si bien al igual que en el caso monofascicular el asientode la placa conllevó una reducción del vano de la fijación y,por lo tanto, de los esfuerzos. Algo similar ocurririó con elfascículo PL, que si bien mostró una distribución de tensionescon valores menores, presentó una pequeña zona que supera-ba el valor del límite elástico del material. Al igual que ocurríacon la fijación AM, el contacto establecido entre esta fijacióny el hueso es ideal con lo que cualquier pequeña variación enla posición o en la geometría del hueso que pueda tener lugardurante la operación implicaría una mayor zona de apoyo,por lo que el reparto de esfuerzos sería más favorable.

En el análisis de la resistencia del fémur, cuando se aplicóla carga sobre el fémur distal, tanto en la reconstrucción mo-nofascicular como en la bifascicular, las tensiones máximasalcanzadas, fueron 20 y 31 MPa respectivamente, valores

muy inferiores al valor mínimo del límite elástico del huesocortical (120 MPa), por lo que se consideró que no existeriesgo de fractura del fémur. Las tensiones obtenidas con latécnica bifascicular, a dicho nivel, fueron superiores pero, encualquier caso, por debajo del límite elástico del hueso corti-cal (31 MPa y 120 MPa).

❙ DiscusiónLa denominación de los fascículos del LCA como antero-

medial (AM) y posterolateral (PL) está determinada por elpunto de origen de los mismos en la cara medial del cóndilofemoral externo, donde se insertan en forma de abanico. Elfascículo AM se denomina también vertical, y el PL oblicuo,por la disposición de sus fibras. La acción mecánica de am-bos fascículos es diferente, si bien actúan de manera sinérgi-ca, pasando a una mayor verticalización y posteriorización, amedida que la rodilla se extiende [9].

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Fig. 4. Tensiones de von Mises (Pa). Monofascicular. 1 túnel ti-bial. sco = sys Cortical.

Fig. 6. Distribución de las tensiones en hueso cortical en técnicabifascicular.

Fig. 5. Tensiones de von Mises en Endobutton® en técnica mono-fascicular.

Ha sido la propia experiencia clínica la que ha demandadoun adecuado control rotacional de la rodilla cuyo LCA ha si-do reparado [10][11] y por lo que se comenzó a introducirun fascículo posterolateral a las reconstrucciones del LCA[12-14]. Si bien es cierto que la bibliografía no ha sido capazde demostrar estadísticamente la mejoría de las técnicas bi-fasciculares respecto las unifasciculares [14][15], no es me-nos cierto que se centra en el control de la estabilidad antero-posterior, recuperación muscular y control propioceptivo,olvidando la realización de test dinámicos orientados a uncontrol multiplanar.

Conceptualmente parece un claro beneficio la reproduc-ción anatómica del LCA mediante la reconstrucción bifasci-cular, por la mejoría clínica objetiva del control rotacionalque proporciona. Sin embargo, dadas las potenciales compli-caciones que se achacan a este tipo de técnicas, fundamental-mente la pérdida de reserva ósea, se hacen necesarios estu-dios más precisos de la estabilidad rotacional y deseguimiento a largo plazo para observar posibles alteracio-nes de la anatomía articular.

A la vista de los resultados obtenidos, la técnica de recons-trucción bifascicular del LCA con un único túnel tibial, ade-más de las claras ventajas que presenta sobre el control rota-cional, implica un mejor reparto de los esfuerzos tanto en elhueso como en las fijaciones que la técnica monofascicular,asegurando la resistencia necesaria cuando la rodilla va a serrehabilitada. Además, cuando aplicamos la carga sobre el fé-mur distal, tanto en la reconstrucción monofascicular comola bifascicular, las tensiones máximas alcanzadas, son muyinferiores al valor mínimo del límite elástico del hueso corti-cal, por lo que se considera que no existe riesgo de fracturadel fémur. ❙

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Conflicto de interesesLos autores hemos recibido ayuda económica de FUNDACIÓN MAPFRE pa-ra la realización de este trabajo. No hemos firmado ningún acuerdo por el quevayamos a recibir honorarios por parte de alguna entidad comercial o deFUNDACIÓN MAPFRE.